DE2308834B2

DE2308834B2 - Verwendung einer Bleilegierung zum Löten von Wärmeaustauschern

Info

Publication number: DE2308834B2
Application number: DE2308834A
Authority: DE
Inventors: Duane J. Dearborn Heights Schmatz; Chia-Ming Plymouth Yen
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1972-02-22
Filing date: 1973-02-22
Publication date: 1975-06-05
Also published as: US3768141A; DE2308834A1; JPS4897752A; CA984183A; GB1410727A

Description

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Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Bleilegierung, bestehend aus 1 bis lO°/o Zinn, 0,5 bis 5% Silber und bis 0,10% Antimon, Rest Blei als Lötwerkstoff zum Löten mit einem wasserfreien Flußmittel von Wärmeaustauschern, die aus Bauteilen von Aluminium oder Legierungen auf Aluminiumbasis und Messing bestehen. Auf Grund der Erfindung werden Bestandteile, die aus Aluminium oder Metallen auf Alumir.iumbasis gefertigt sind, mit Bestandteilen auf der Grundlage von edleren Metallen und insbesondere Kupfer oder Legierungen auf Kupferbasis, wie beispielsweise gewöhnliches Messing, in wirksamer Weise zusammengelötet.

Die erfindungsgemäße Verwendung richtet sich insbesondere auf die Fabrikation von Kraftfahrzeug-Wärmeaustauschern, in denen Wärme aus Wasser oder irgendwelchen der verschiedenen als Gefrierschutz verwendeten Zusammensetzungen auf Wasserbasis abgeführt werden soll. Seit langem suchte man für diesen Zweck einen vollständig aus Aluminium bestehenden Kühler, wegen der sehr naheliegenden und erheblichen Einsparungen gegenüber der jetzt allgemein verwendeten üblichen Kupfer-Messing-Konstruktion.

Die Herstellungstechnik für derartige insgesamt aus Aluminium bestehende Kühler steht nun zur Verfugung. Die Einführung des ganz aus Aluminium bestehenden Kühlers wurde durch die Verletzbarkeit derartiger Kühler durch natürliche alkalische Wasserarten, die sich in vielen Teilen der Vereinigten Staaten finden, und die dem Aluminium eigene Tendenz eine selbstzerstörende elektrolytiische Zelle auszubilden, wenn benachbart irgendein edleres Metall vorliegt und damit selbst durch eine schwach leitende wäßrige Lösung verbunden ist, verhindert.

Es wurde vorgeschlagen, daß ein großer Teil der sich aus der Verwendung von ganz aus Aluminium bestehenden Kühlern ergebenden potentiellen Einsparungen dadurch verwirklicht werden kann, daß die derzeitigen ganz aus Messing bestehenden Wasser enthaltenden Rohre und Tanks, die tatsächlich gegenüber Wasserkorrosion immun sind und leicht zu reparieren sind, beibehalten weiden und Aluminium

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lediglich zur Herstellung der Rippen verwendet wird, wo es nichi mit dem Kühlmittel in Berührung kommt. Eine derartige Hybridstruktur erfordert, daß die Messingrohre mit den Aluminiumrippen in mechanisch fester Weise verbunden sind und auch in einer Weise, welche raschen Wärmeübergang aus den das Kühlmittel enthaltenden Rohren zu den Rippen zur endgültigen Abgabe an den Luftstrom ermöglicht.

Durch die Erfindung werden diese Ergebnisse in zuverlässiger und wirtschaftlicher Weise erregt und darüber hinaus eine Verbindung erzeugt, d.c gegenüber Korrosion an der Verbindung zwischen der Aluminiumrippe und dem viel edleren Messingrohr relativ immun ist.

Aufgabe der Erfindung ist die Verwendung eines speziellen Lötmittels zum Verlöten von Aluminium oder Metallen auf Aluminiumbasis mit edleren Metallen ohne Einführung ernsthafter Korrosionsprobleme.

Es wurde ein Lötmittel auf der Grundlage des ternären Legierungssystems Blei-Zinn-Silber entwickelt. Dieses Lötmittel stellt gegenüber dem durch die ASTM Nr. B 3 2-60 T, Legierung 1,5 S bezeichneten Lötmittel eine Verbesserung dar. Dieses frühere Lötmittel ist im einzelnen in »The American Society for Metals Handbook«, 8. Ausgabe, S. 1064, beschrieben. Für dieses frühere Lötmittel ist folgende Zusammensetzung angegeben:

ßlei 97,5 % nominal

Zinn '.'. 0,75 bis 1,25«'.

Silber 1,3 bis 1,7»Ό

Antimon 0,40% Maximum

Wismut 0_t25 % Maximum

Cadmium 0,08 % Maximum

Die Erhöhung der Festigkeit von Lötmitteln auf Bleibasis durch Herabsetzung des Zinngehalts und Zugabe von Silber ist seit langem bekannt. Gemäß der US-PS 33 55 285 werden die Festigkeitseigenschaften von Pb-Sn-Ag-Legierungen durch Zusatz von Zink erhöht. Die dortigen Pb-Sn-Ag-Zn-Legierungen sind für die Verbindung von Kupfer mit Messing vorgesehen. Dagegen können erfindungsgemäß die angegebenen Pb-Sn-Ag-Legierungen mit sehr begrenztem Sb-Gehalt als Lötwerkstoff zur Verbindung von Aluminium oder Legierungen auf Aluminiumbasis mit edleren Metallen und insbesondere Kupfer oder Legierungen auf Kupferbasis, wie beispielsweise Messing, eingesetzt werden. Auch sind Pb-Sn-Ag-Legierungen aus der US-PS 23 06 667 bekannt, denen zur Erhöhung der Festigkeit Antimon zugesetzt wird. Die Eignung spezieller Pb-Sn-Ag-Legierungen, in denen nur ein sehr geringer Antimongehalt toleriert werden kann, als Lötwerkstoff zum Löten von Wärmeaustauschern mit Bauteilen aus Aluminium und edleren Metallen oder Legierungen war daraus nicht herzuleiten.

Das erfindungsgemäß verwendete Lötmittel ist insbesondere so compoundiert, daß Korrosioiisprobleme bei der Verbindung von Aluminium mit edleren Metallen vermieden werden. Der Zinngehalt des verbesserten Lötmittels kann bis zu 10% betragen. Wenn der Zinngehalt auf etwa 1 % herabgesetzt wird, wird das Lötmittel unzureichend, da die allgemeine Massekorro.sionsbeständigkeit des Lötmittels gegenüber vielen korrosiven Mit'.eln, insbesondere in Gegenwart von Aluminium zu gering ist. Ein zu hoher Zinngehalt

ist wirtschaftlich uninteressant und führt zu Grenzflächenkorrosion.

Es wurde festgestellt, daß ein optimaler Bereich für den Zinngehalt bei 3 bis 5"/O liegt.

Es wurde festgestellt, daß Silber in Mengen von nur 0,5 °/o günstige Ergebnisse erzielt. Eine kontinuierliche Verbesserung sowohl hinsichtlich der Verbindungsfestigkeit als auch der Grenzflächenkorrosionsbeständigkeit wird mit erhöhten Silbergehalten bis zu etwa 2,5 °/o erhalten. Zwischen 2,5 und 5% Silber wird der Schmelzpunkt zu einem Ausmaß erhöht, daß die Verarbeitung schwieriger wird und die mit dem hohen Preis des Silbers verbundenen wirtschaftlichen Nachteile die geringen Verbesserungen sowohl der erhaltenen Festigkeit als auch der Korrosionsbeständigkeit auszugleichen beginnen. Es wurde festgestellt, daß der optimale Silberbereich bei 2 bis 3°/oliegt.

Dieses verbesserte Lötmittel erwies sich als sehr intolerant gegenüber der Anwesenheit von Antimon. Das vorstehend beschriebene ASTM-Lötmittel gestattet eigens ein Maximum von 0,40 %> Antimon. Diese freie Toleranz für Antimon findet ihren Ursprung in der Tatsache, daß das meiste Lötmittel aus sekundärem Blei hergestellt wird. Dieses sekundäre Blei wiederum leitet sich weitgehend aus Blei-Säure-Speicherbatterien her, die durchschnittlich etwa 6% Antimon in den Akkumulatorplatten und dem oberen Blei enthalten. Restliche Mengen Antimon sind aus sekundärem Blei schwierig zu entfernen, und somit ergibt sich die hohe obere Grenze für Antimon. Bei der Entwicklung des vorliegenden Lötmittels wurde gefunden, daß Antimon unter einem Wert von O,lO°/o gehalten werden muß, um ein verarbeitbares Produkt zu ergeben. Ein Produkt, daß 0,25% Antimon enthält, ist als Aluminiumlötmktel vollkommen wertlos.

Dagegen ist dieses Lötmittel sowohl gegenüber Cadmium als auch gegenüber Wismut sehr tolerant. Bis zu 2 °/o jedes dieser Metalle ergeben keinen nachteiligen Einfluß auf die Brauchbarkeit des Lötmittels. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die Schwierigkeit der Entfernung des Wismuts aus dem Blei und der weit verbreiteten Anwesenheit von Wismut in sekundärem Blei vorteilhaft. Das ASTM-Lötmittel gibt nicht direkt, jedoch indirekt durch die endgültige Begrenzung sämtlicher nicht erwähnter anderer Verunreinigungen auf den sehr geringen Wert von 0,08 °/o eine Wismuttoleranz an.

Dieses Lötmittel arbeitet zufriedensteüend mit den üblichen Lötflußmitteln und insbesondere mit dem normalerweise für Lötvorgänge verwendeten Zinkchloridflußmittel. Jedoch müssen das Zinkchlorid oder andere Flußmittel wasserfrei sein und werden in einfacher Weise in einem trockenen organischen Lösungsmittel an Stelle von Wasser gelöst. Eine Konzentration von 15 bis 50 g Flußmittel in 100 ecm Lösungsmittel ist angemessen. Mit dieser Ausnahme können Kühlerblöcke unter Verwendung von Messingrohren und Aluminiumrippen in der gleichen Weise gefertigt werden, wie die üblichen Blöcke mit Mesringrohren und Kupferrippen. Zur Sicherstellung äquivalenter Wärmeabführung ist das Material, aus welchem die Alumiiiiumrippen gefertigt sind, etwa zweimal so dick wie bei Kupfer wegen der inneren Wärmeleitfähigkeit des Aluminiums. Die einge-

ao klemmte und mit Flußmittel versehene Anordnung von Rippen und Rohren wird in einem Druckluftofen bei einer Temperatur von 400° C und während eines Zeitraums von 150 Sek. gelötet.

Der Mechanismus, durch den dieses Lötmittel auf Aluminium wirkt und die physikalische Makrostruktur der Verbindung sind einzigartig und wurde durch Elektrononmikrosondendaten bestätigt. Bei Löttemperaturen ist sowohl das Zinkchloridflußmittel als auch das Lötmittel flüssig. Die erste Wirkung des Flußmittels besieht darin, den festhaftenden Film aus Aluminiumoxid auf dem Aluminium abzuheben oder zu zerreißen. Die so gereinigte Aluminiumoberfläche reagiert mit dem Flußmittel durch eine einfache Austauschreaktion unter Bildung einer Schicht aus mctallischem Zink auf dem Aluminiumsubstrat. Bei der fortgesetzten Bildung des Zinks tritt Diffusion in das Aluminium ein. Nachdem das Lötmittel die Zinkoberfläche benetzt, diffundiert Silber aus dem Lötmittel in die Grenzschicht und vereinigt sich rasch mit dem verbleibenden Zink unter Bildung einer silberreichen Zinklegierung. Es bildet sich eine Lötmittel-Aluminiumgrenzfläche, die eine Schicht aus etwa 75°/o Silber und 25°/o Zink enthält, welche das Lötmittel, das nun hinsichtlich des Silbers etwas verarmt ist, von dem Aluminium, in das die Zinkdiftusion stattgefunden hat, trennt.

Claims

23 Patentansprüche:

1. Verwendung einer Bleilegierung, bestehend aus 1 bis 10% Zinn, 0,5 bis 5% Silber und bis 0,10% Antimon, Rest Blei als Lötwerkstoff zum Löten mit einem wasserfreien Flußmittel von Wärmeaustauschern, die aus Bauteilen von Aluminium oder Legierungen auf Aluminiumbasis und Messing bestehen.

2. Verwendung einer Bleilegierung zum Zweck nach Anspruch 1, die 3 bis 5% Zinn und 2 bis 3% Silber enthält.

3. Verwendung einer Bleilegierung zum Zweck nach Anspruch 1, die 3% Zinn und 2% Silber enthält.

4. Verwendung einer Bleilegierung nach den Ansprüchen 1 bis 3, wobei als Flußmittel wasserfreies Zinkchlorid gelöst in einem trockenen organischen Lösungsmittel verwendet wird.